EP4478592A1 - Power converter and method for operating a power converter - Google Patents
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- EP4478592A1 EP4478592A1 EP23179040.3A EP23179040A EP4478592A1 EP 4478592 A1 EP4478592 A1 EP 4478592A1 EP 23179040 A EP23179040 A EP 23179040A EP 4478592 A1 EP4478592 A1 EP 4478592A1
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Definitions
- the present invention relates to a power converter with a DC connection to which an electrical direct voltage can be applied during operation and an AC connection to which an electrical alternating voltage can be applied during operation, wherein a DC/AC main converter with a DC converter connection and an AC converter connection is provided in the power converter and the AC converter connection is connected to the AC connection of the power converter and the DC converter connection is connected to a DC intermediate circuit to which an intermediate circuit voltage is applied during operation of the power converter, wherein the DC intermediate circuit comprises at least two intermediate circuit capacitors connected in series and a capacitor voltage is applied to each of the intermediate circuit capacitors during operation of the power converter, wherein the DC connection of the power converter is connected to the DC intermediate circuit, wherein an AC/DC supply converter is provided in the power converter, which is connected to an AC converter connection of the AC/DC supply converter with the AC connection of the power converter and to a DC converter connection of the AC/DC supply converter is connected to a DC self-supply bus of the power converter.
- the invention also relates to a method for operating such a power converter
- Power converters are well-known power electronic devices that work as inverters (DC/AC converters) to convert a direct current (DC) (electrical current or voltage) into an alternating current (AC) (electrical current or voltage), or vice versa as rectifiers (AC/DC converters).
- DC/AC converters direct current
- AC/DC converters alternating current converters
- Bidirectional power converters are also known, which allow energy to flow in both directions. A direct current is therefore present at one connection of the power converter and an alternating voltage is present at the other connection.
- the DC voltage quantity is provided by a DC voltage source such as a battery, photovoltaic system, etc., or is absorbed by a DC voltage sink such as a battery, inverter, etc.
- the AC voltage quantity is absorbed by an AC voltage sink such as an AC grid, etc., or is provided by an AC voltage source such as an AC grid, wind turbine, etc.
- a DC intermediate circuit consisting of one or more intermediate circuit capacitors connected in series is usually provided between the DC part and the AC part of the converter.
- a DC/AC converter which is at least unidirectional, is connected to the DC intermediate circuit, which converts the intermediate circuit voltage into an AC voltage of the converter, or converts an AC voltage of the converter into an intermediate circuit voltage.
- a power converter comprises at least one semiconductor switch, such as a transistor, usually a plurality of semiconductor switches, which are controlled by a control unit of the power converter to convert energy from DC to AC, or vice versa. This results in certain requirements for the power converter.
- the control unit is usually a microprocessor-based component or an integrated circuit (such as an application-specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA)) that requires an electrical power supply.
- the power converter therefore requires its own electrical power supply, for example for operating the control unit or for cooling the power converter or for other peripherals.
- the power converter includes its own power supply power supply for the electrical power supply, which can be supplied on the AC side, for example from an AC network (AC voltage source or AC voltage sink) or an AC output of the power converter.
- An example of such a power supply for the power converter can be the WO 2013/178546 A1
- An AC-side supply is particularly necessary when no DC voltage source is available, for example at night with a PV system or when the battery is empty.
- a DC-side energy supply can also be provided, for example by means of an inverter (DC/DC converter) as a self-power supply power supply.
- DC/DC converter DC/DC converter
- a combination of an AC-side supply with a DC-side supply is also known, for example from DE 10 2008 032 317 A1
- the DC intermediate circuit of the converter is often designed as a split intermediate circuit with at least two intermediate circuit capacitors in series.
- a DC voltage is applied to each intermediate circuit capacitor, which together make up the intermediate circuit voltage.
- the intermediate circuit voltage at the intermediate circuit capacitors would be halved if the same intermediate circuit capacitors were used.
- asymmetrical DC voltages can occur at the intermediate circuit capacitors during operation of the converter for various reasons. Such asymmetries can lead to improper operation of the converter or to damage to parts of the converter. When the converter is in operation, the DC voltages at the intermediate circuit capacitors must therefore be balanced.
- balancing resistors are simply connected in parallel to the intermediate circuit capacitors.
- a further balancing circuit can be EP 2 760 103 A1 It describes a balancing circuit that consists of a transformer whose primary side is connected to the intermediate circuit voltage via a switching element.
- the secondary side of the transformer consists of two secondary windings, each connected in series with a diode. Each secondary winding with a diode is connected in parallel with an intermediate circuit capacitor.
- the diodes ensure that the intermediate circuit capacitor is charged with the lower voltage via the transformer.
- balancing cannot be ensured by charging via the transformer alone, because this can also overload an intermediate circuit capacitor (charge beyond a nominal capacitor voltage).
- the intermediate circuit When the converter is switched off, the intermediate circuit is usually also discharged. In order to put the converter into operation, the intermediate circuit must therefore first be precharged. If no DC voltage is available on the DC side, the intermediate circuit must be precharged on the AC side, for example from an AC network.
- An example of an AC-side precharging of the intermediate circuit capacitors is the WO 2019/206910 A1 to be taken.
- the various operating modes can be easily implemented in combination with the DC/DC supply converter, so that in particular the balancing of the intermediate circuit and the pre-charging of the intermediate circuit from the AC side can be easily implemented.
- the self-power supply of a control unit can also be ensured if required by providing the AC/DC and DC/DC supply converters.
- balancing is carried out automatically and in an energy-efficient manner by recharging the intermediate circuit capacitors via the DC/DC charging converter from the DC self-supply bus and simultaneously discharging the DC voltage intermediate circuit via the DC/DC supply converter into the DC self-supply bus.
- the energy taken from the intermediate circuit capacitors is at least partially used to recharge the intermediate circuit capacitors until symmetry is restored.
- the DC self-supply bus to which the DC supply voltage is applied during operation, can also ensure the self-supply of certain components of the converter. If at least one control unit with a supply input is provided in the converter, with the supply input being connected to the DC self-supply bus, then the self-supply of the control unit can also be ensured.
- At least one DC/DC main converter with a first DC converter connection of the DC/DC main converter and a second DC converter connection of the DC/DC main converter is provided between the DC connection and the DC voltage intermediate circuit, wherein the DC connection of the power converter is connected to the DC voltage intermediate circuit via the at least one DC/DC main converter in that the first DC converter connection of the DC/DC main converter is connected to the DC connection of the power converter and the second DC converter connection of the DC/DC main converter is connected to the DC voltage intermediate circuit.
- the DC/DC charging converter comprises a transformer with a primary winding on a transformer core, wherein the primary winding is connected to the DC self-supply bus via at least one clock switching element, that on the secondary side of the transformer on the transformer core a plurality of secondary windings corresponding to the number of intermediate circuit capacitors are provided, wherein a turns ratio between the primary winding and the respective Secondary winding is selected so that when the converter is operating, a DC charging voltage is induced on a secondary winding that essentially corresponds to the capacitor voltage required on the associated intermediate circuit capacitor, and that a diode is connected in series with each secondary winding so that when the converter is operating, the diode conducts if the capacitor voltage is lower than the respective DC charging voltage.
- this circuit no active control is required on the secondary side of the transformer, since the diodes regulate the energy flow independently.
- the DC/DC supply converter connected to the DC link can be switched off to precharge the DC link capacitors via the AC/DC supply converter, the DC self-supply bus and the DC/DC charging converter in the absence of DC voltage at the DC connection.
- the DC/DC supply converter can be switched on so that the intermediate circuit voltage or at least a capacitor voltage of an intermediate circuit capacitor of the DC intermediate circuit is converted into the DC supply voltage via the DC/DC supply converter and fed into the DC self-supply bus.
- the DC intermediate circuit is thus discharged into the DC self-supply bus via the DC/DC supply converter and recharged from the DC self-supply bus via the DC/DC charging converter in order to establish the symmetry of the capacitor voltages.
- This symmetrization can also be used for pre-charging.
- the capacitor voltages can be recorded and the output power of the DC/DC charging converter reduced if one of the capacitor voltages is greater than a specified nominal voltage. This reduces the charging current for the intermediate circuit capacitors and prevents an overvoltage on the intermediate circuit capacitors.
- Fig.1 shows a power converter 1 according to the invention (in the form of a voltage intermediate circuit converter) with a DC connection 2 and an AC connection 3.
- An electrical direct voltage DCG such as a DC voltage or a DC current
- a direct voltage source that provides the direct voltage DCG or a direct voltage sink that receives the direct voltage DCG can be connected to the DC connection 2.
- An alternating voltage ACG can be applied to the AC connection 3 during operation of the power converter 1.
- An alternating voltage source that provides the alternating voltage ACG or an alternating voltage sink that receives the alternating voltage ACG can be connected to the AC connection 3.
- the alternating voltage ACG can be single-phase or multi-phase, for example three-phase as in the embodiment according to Fig.1 . At least two connection contacts (not shown) are therefore provided on the AC connection 3.
- a separating unit 4 such as a separating relay, can also be provided in the power converter 1 in order to electrically separate the AC connection 3 of the power converter 1, or an AC voltage source connected to it during operation, from the other parts of the power converter 1.
- a separating unit 4 such as a separating relay
- circuit components can be provided in the converter 1 on the AC side, preferably in front of a separating unit 4, such as a known electrical output filter, which generally consists of a connection of capacitors and chokes.
- a separating unit 4 such as a known electrical output filter, which generally consists of a connection of capacitors and chokes.
- a DC/AC main converter 5 is provided on the AC side of the power converter 1.
- the DC/AC main converter 5 is used to transfer energy to the power converter 1 and, when the power converter 1 is operating, converts a direct voltage value into an alternating voltage value that is present at an AC converter connection 6 of the DC/AC main converter 5, or vice versa in the case of a bidirectional first DC/AC main converter 5 (in the opposite case, the DC/AC main converter 5 works as an AC/DC converter).
- the AC converter connection 6 of the DC/AC main converter 5 is connected to the AC connection 3 of the power converter 1, if necessary via a separating unit 4 and/or other circuit components of the power converter 1.
- the AC energy transmission side of the power converter 1 is thus formed by the AC part of the DC/AC main converter 5 and the AC connection 3, and if necessary the separation unit 4 and/or further circuit components between the separation unit 4 and the DC/AC main converter 5.
- the DC converter connection 7 of the DC/AC main converter 5 is connected to a DC intermediate circuit 8.
- the DC intermediate circuit 8 consists of at least two intermediate circuit capacitors C ZK , which preferably have the same capacitance values.
- the at least two intermediate circuit capacitors C ZK are connected in series with one another.
- an intermediate circuit voltage U ZK is applied to the DC intermediate circuit 8, which is divided into capacitor voltages U C1 , U C2 , each of which is applied to an intermediate circuit capacitor C ZK due to the serial connection of the intermediate circuit capacitors C ZK .
- the DC/AC main converter 5 thus receives the intermediate circuit voltage U ZK as a DC voltage quantity for conversion into the AC voltage quantity at the AC converter connection 6.
- the intermediate circuit voltage U ZK corresponds to the DC voltage DCG present at the DC connection 2, in this case a DC voltage.
- at least one at least unidirectional DC/DC main converter 9 is arranged between the DC connection 2 and the DC voltage intermediate circuit 8, which is used to transmit energy to the power converter 1 when the power converter 1 is in operation and converts a DC voltage DCG, in this case a DC voltage, present at the DC connection 2 into the intermediate circuit voltage U ZK , or vice versa in the case of a bidirectional converter.
- a PV power converter can have several PV strings, each connected to a DC/DC main converter 9. Or several batteries could also be provided, each connected to a DC/DC main converter 9.
- the DC energy transmission side of the power converter 1 is thus formed by the DC intermediate circuit 8 and the DC part of the DC/AC main converter 5, or by the DC/DC main converter 9, the DC intermediate circuit 8 and the DC part of the DC/AC main converter 5.
- the energy transfer of the power converter 1 takes place from the DC connection 2 via the DC energy transfer side and the AC energy transfer side to the AC connection 3, or vice versa in the case of a bidirectional converter.
- a control unit 10 which controls the individual parts of the power converter 1 via control lines S1, S3, in particular the DC/AC main converter 5 via a control line S1 and possibly also the at least one DC/DC main converter 9 via a control line S3. If present, the control unit 10 can also control the isolating unit 4 via a control line S2.
- the type of control signals sent via the control lines S1, S2, S3 is irrelevant for the invention.
- the control unit 10 controls in the DC/AC main converter 5, and possibly also in the DC/DC main converter 9, in a known manner, in particular switching elements such as semiconductor switches such as transistors.
- the control unit 10 is preferably designed as a microprocessor-based component or as an integrated circuit, such as an application-specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA), which requires an electrical power supply for operation.
- ASIC application-specific integrated circuit
- FPGA field programmable gate array
- the power converter 1 therefore requires its own energy supply 11, which in particular provides the electrical energy for operating the control unit 10 and, if necessary, also for other basic supply components or peripherals.
- the power converter 1's own energy supply 11 comprises an AC/DC supply converter 12, whose AC converter connection 13 is connected to the AC connection 3 of the power converter 1. This also ensures, in the case of a separation unit 4, that a voltage supply via the AC voltage source or AC voltage sink connected to the power converter 1 is possible even when the separation unit 4 is open.
- the DC converter connection 14 of the AC/DC supply converter 12 is connected to a DC self-supply bus 15 of the power converter 1.
- the internal energy supply 11 of the power converter 1 also comprises a DC/DC supply converter 16, the first DC converter connection 17 of which is connected to the DC internal supply bus 15 and the second DC converter connection 18 of which is connected to the DC intermediate circuit 8, so that during operation of the power converter 1 in this embodiment according to Fig.1 the intermediate circuit voltage U ZK is present at the second DC converter connection 18 of the DC/DC supply converter 16.
- the control unit 10 has a supply connection 19 which is connected to the DC internal supply bus 15.
- a separate power supply unit could also be provided for the electrical energy supply of the control unit 10. In this case, the supply connection 19 would be connected to the power supply unit or switchably to the power supply unit or the DC internal supply bus 15.
- the DC self-supply bus 15 can be supplied with a DC supply voltage Uv from the AC/DC supply converter 12 via the AC side of the power converter 1, as well as via the DC/DC supply converter 16 and the DC voltage intermediate circuit 8.
- the power supply of the control unit 10 can thus be provided during operation of the power converter 1 from both the AC side and the DC side of the power converter 1.
- the AC/DC supply converter 12 and/or the DC/DC supply converter 16 can also be controlled by the control unit 10 via a control line S4, S5.
- the AC/DC supply converter 12 is always active and therefore no control line S5 is required (as in Fig.2 ).
- the DC supply voltage Uv is provided, for example, via the AC/DC supply converter 12 and the AC connection 3 of the power converter 1.
- the DC internal supply bus 15 can be additionally or alternatively supplied with the DC supply voltage Uv via the DC/DC supply converter 16.
- the DC/DC supply converter 16 has another task in addition to the optional voltage supply of the DC internal supply bus 15, as explained below.
- a DC/DC charging converter 20 is also provided in the power converter 1.
- a first DC converter connection 22 of the DC/DC charging converter 20 is connected to the DC internal supply bus 15, so that the DC supply voltage Uv is present at this first DC converter connection 22 during operation.
- a plurality of DC charging voltages U L1 , U L2 are provided at DC charging connections 21a, 21b of the DC converter connection 21 of the DC/DC charging converter 20 in accordance with the number of intermediate circuit capacitors C ZK .
- two DC charging voltages U L1 , U L2 are provided.
- the DC/DC charging converter 20 thus converts the DC supply voltage Uv of the DC self-supply bus 15 into the plurality of DC charging voltages U L1 , U L2 .
- the DC/DC charging converter 20 therefore has a DC converter connection 22 with a plurality of DC charging connections 21a, 21b, wherein each of the DC charging connections 21a, 21b is connected to one of the intermediate circuit capacitors C ZK .
- the DC/DC charging converter 20 can generate a DC charging voltage U L1 , U L2 at the DC charging connections 21a, 21b at least as required, which is applied to the respectively connected intermediate circuit capacitor C ZK .
- a low DC voltage for example in the range of 10-50V, preferably 20V or 24V, is applied to the DC internal supply bus 15 as the DC supply voltage Uv, while the intermediate circuit voltage U ZK is generally in the range of a few hundred volts to a thousand volts.
- the DC internal supply bus 15 is not used in particular for the energy transmission of the power converter 1.
- This circuit with AC/DC supply converter 12, DC/DC supply converter 16 and DC/DC charging converter 20 enables the self-power supply of the power converter 1 (as already explained above), but also the balancing of the DC intermediate circuit 8 and also the pre-charging of the DC intermediate circuit 8 from the AC side in a simple and energy-efficient manner, as explained below.
- Precharging the DC intermediate circuit 8 from the AC side of the power converter 1 is necessary, for example, if no DC voltage DCG is available at the DC connection 2 of the power converter 1 (for example at night in the case of a PV system at the DC connection 2) and the DC intermediate circuit 8 cannot therefore be fed via the DC connection 2 or the DC/DC main converter 9.
- the AC/DC supply converter 12 feeds the DC self-supply bus 15 via the AC connection 3, to which an AC voltage ACG is present, for example from an AC network.
- the DC supply voltage Uv of the DC internal supply bus 15 is converted by the DC/DC charging converter 20 into the DC charging voltages U L1 , U L2 , which are applied to the intermediate circuit capacitors C ZK , whereby the intermediate circuit capacitors C ZK are charged to the DC charging voltages U L1 , U L2 .
- the DC/DC supply converter 16 which is also connected to the DC intermediate circuit 8 and the DC internal supply bus 15, is switched off in order to prevent the DC/DC supply converter 16 from simultaneously drawing energy from the DC intermediate circuit 8 and discharging the DC intermediate circuit 8 again, which would contradict precharging.
- the pre-charging function of the power converter 1 enables another operating mode of the power converter 1. For example, if a PV system is connected to the DC connection 2, the PV system cannot provide a direct voltage DCG at night. This means that the direct voltage intermediate circuit 8 is discharged. However, the power converter 1 is also connected to an AC network at night via the AC connection 3. However, the direct voltage intermediate circuit 8 can be pre-charged via the AC/DC supply converter 12 and the DC/DC charging converter 20, and the power converter 1 can therefore basically be put into operation. When the power converter 1 is in operation, the power converter 1 could, for example, generate reactive power that is fed into the AC network. The ability of a power converter 1 for PV applications to deliver reactive power is a requirement of the network operators in many countries. The energy for generating the reactive power could be taken from the AC grid by the DC/AC main converter 5, for example as active power, and fed into the DC voltage intermediate circuit 8, specifically into the intermediate circuit capacitors C ZK .
- a reactive power feed into an AC network could thus be carried out via the AC/DC supply converter 12, the DC self-supply bus 15 and the DC/DC charging converter 20 even when no DC voltage is present at the DC connection 2.
- the DC charging voltage U L1 , U L2 provided by the DC/DC charging converter 20 ensures that the intermediate circuit capacitor C ZK that is not charged enough is recharged with a capacitor voltage U C1 , U C2 that is less than the associated DC charging voltage U L1 , U L2 .
- the electrical output power provided by the DC/DC charging converter 20 thus flows into the direct voltage intermediate circuit 8 and ensures that the intermediate circuit capacitor C ZK that is not charged enough is recharged.
- the DC intermediate circuit 8 is also discharged via the DC/DC supply converter 16, with all intermediate circuit capacitors C ZK being discharged together, since its second DC converter connection 18 is connected to the DC intermediate circuit 8.
- the DC/DC supply converter 16 is therefore active at the same time as the DC/DC charging converter 20.
- the discharged electrical energy is not lost, but is made available to the DC/DC charging converter 20 for recharging via the DC internal supply bus 15.
- the electrical energy is thus guided in a circuit. It can therefore also be the case that energy that was taken from an intermediate circuit capacitor C ZK is fed back into it. This (ideally) ensures that both intermediate circuit capacitors C ZK are charged to the nominal voltage (e.g. 500V).
- this recharging and simultaneous discharging can also be referred to as balancing the intermediate circuit capacitors C ZK .
- the undercharged intermediate circuit capacitor C ZK would be charged to the same level as the other intermediate circuit capacitor C ZK , which may, however, be above the nominal voltage and is therefore not desired. If only a discharge If this were to happen, both intermediate circuit capacitors C ZK would be reduced by the same level and the asymmetry would remain. However, by simultaneously recharging and discharging, the capacitor voltage U C1 , U C2 can be balanced.
- the control unit 10 can coordinate the recharging and discharging, i.e. the balancing. Measured values of the capacitor voltages U C1 , U C2 , which the DC/AC main converter 5 can provide, can serve as a basis for this.
- the DC/DC supply converter 16 and the DC/DC charging converter 20 can be controlled by the control unit 10 via the control lines S4, S6 to the DC/DC charging converter 20 and DC/DC supply converter 16.
- symmetrization is when the capacitor voltage U C1 , U C2 are different, but both are smaller than the nominal voltage, i.e., the voltages are divided differently due to component tolerances, for example. In this case, too, symmetrization is carried out as described above via the DC/DC supply converter 16, the DC internal supply bus 15 and the DC/DC charging converter 20.
- the DC/DC supply converter 16 is connected on the input side via the DC converter connection 18 to the DC intermediate circuit 8, i.e. to the intermediate circuit voltage U ZK .
- the DC/DC supply converter 16 which feeds the DC internal supply bus 15, draws electrical power from the DC intermediate circuit 8, whereby the DC/DC supply converter 16 discharges the intermediate circuit capacitors C ZK and reduces the capacitor voltages U C1 , U C2 on all intermediate circuit capacitors C ZK . Since this extracted electrical power flows into the internal supply of the power converter 1, this is very energy efficient. If one of the capacitor voltages U C1 , U C2 drops below the assigned DC charging voltage U L1 , U L2 of the DC/DC charging converter 20, the DC/DC charging converter 20 ensures symmetrization again by recharging as described above. The electrical energy of the overcharged intermediate circuit capacitor C ZK is thus circulated during balancing via the DC/DC supply converter 16, the DC self-supply bus 15 and the DC/DC charging converter 20 and is supplied to the now undercharged intermediate circuit capacitor C ZK .
- the DC/DC supply converter 16 Since the DC/DC supply converter 16 is also responsible for its own energy supply, it is usually designed to be more powerful than the charging converter 20, i.e. with a higher nominal output power.
- the DC/DC charging converter 20 could be designed with an output of 20W and the DC/DC supply converter 16 with an output of 50W.
- the voltage levels of the various voltages of the various converters are related to each other and to the nominal intermediate circuit voltage U ZK or the nominal capacitor voltages U C1 , U C2 are to be coordinated.
- the nominal voltages are the voltages that should be present when the converter 1 is operating properly. Such voltage-related dimensioning of the converters can easily be carried out by a specialist.
- the achievable DC charging voltages U L1 , U L2 of the DC/DC charging converter 20 each correspond at least to the nominal capacitor voltages U C1 , U C2 desired at the intermediate circuit capacitors C ZK , whereby the sum of the DC charging voltages U L1 , U L2 advantageously corresponds to the nominal intermediate circuit voltage U ZK .
- the output voltage of the DC/DC supply converter 16 which is fed into the DC internal supply bus 15 as the DC supply voltage Uv, is greater than the output voltage of the AC/DC supply converter 12, which is also fed into the DC internal supply bus 15.
- the DC/DC supply converter 16 could provide an output voltage of 24V and the AC/DC supply converter 12 an output voltage of 20V.
- the DC internal supply bus 15 is thus primarily fed by the DC/DC supply converter 16 when the power converter 1 is operating and the symmetrization described above is ensured.
- the control unit 10 controls the DC/DC supply converter 16 and the AC/DC supply converter 12 in order to enable symmetrization.
- a voltage overload (more than the nominal voltage of an intermediate circuit capacitor C ZK ) of each individual intermediate circuit capacitor C ZK should usually be prevented.
- This can also be seen as asymmetry in the case of differently charged intermediate circuit capacitors C ZK and can be prevented by balancing via the DC/DC supply converter 16, the DC self-supply bus 15 and the DC/DC charging converter 20, because the DC/DC supply converter 16 lowers the capacitor voltage U C1 , U C2 at each intermediate circuit capacitor C ZK and uses it via the DC self-supply bus 15 and the DC/DC charging converter 20 to compensate for the asymmetry.
- the capacitor voltages U C1 , U C2 are recorded by the control unit 10.
- At least one of the intermediate circuit capacitors C ZK reaches its specified nominal capacitor voltage, provision can be made to reduce the electrical output power of the DC/DC charging converter 20, for example by the control unit 10, so that a voltage overload of the intermediate circuit capacitors C ZK by the DC/DC charging converter 20 is avoided.
- the capacitor voltages U C1 , U C2 are detected by the control unit 10. If at least one of the intermediate circuit capacitors C ZK reaches its nominal capacitor voltage, it can be provided to reduce the electrical output power of the DC/DC charging converter 20, for example by the control unit 10, so that a voltage overload of the intermediate circuit capacitors C ZK is avoided.
- An asymmetry of the capacitor voltages U C1 , U C2 can also occur when precharging the DC voltage intermediate circuit 8, as described above. This means that even when precharging via the DC/DC charging converter 20, balancing can take place via the DC/DC supply converter 16, the DC internal supply bus 15 and the DC/DC charging converter 20 as described above. This means that the DC/DC supply converter 16 can also be activated during precharging to balance. This operating case therefore represents balancing as described above. During precharging, the power consumed by the DC/DC supply converter 16 can also be limited, for example by the control unit 10, in order not to hinder precharging, but still to reduce the capacitor voltages U C1 , U C2 if necessary.
- the capacitor voltages U C1 , U C2 are detected by the control unit 10. If at least one of the intermediate circuit capacitors C ZK reaches its nominal voltage, it can be provided to reduce the electrical output power of the DC/DC charging converter 20, for example by the control unit 10, so that a voltage overload of the intermediate circuit capacitors C ZK is avoided. This can take place with or without switching on the DC/DC supply converter 16.
- the AC/DC supply converter 12 is active because it supplies the DC self-supply bus 15. All of this can be controlled via the control unit 10, for example via the corresponding control lines.
- Fig.2 shows a power converter 1 according to the invention in operation with a direct voltage source 30, in this case a PV system, which is connected to the DC connection 2 and provides the direct voltage DCG.
- a DC/DC main converter 9 is also provided, as already described above.
- the power converter 1 enables an energy flow from the DC voltage source 30 to the AC voltage sink 31, for example a feed-in operation of the PV system into the AC network.
- the DC voltage source 30 could also be another voltage source, such as a battery, a DC network, etc.
- the energy flow could also be reversed and electrical energy could also be transferred from the AC side to the DC side of the power converter 1.
- the power converter 1 could be intended to charge a battery connected to the DC connection 2 from an AC network connected to the AC connection 3 or a wind turbine.
- bidirectional operation is also conceivable, with energy flowing from the battery or a DC network into an AC network or vice versa from the AC network into a battery or a DC network.
- a combination of unidirectional and bidirectional is also possible, since several DC/DC main converters 9 are possible.
- the DC/DC supply converter 16 is connected to the intermediate circuit voltage U ZK of the DC voltage intermediate circuit 8 via the DC converter connection 18.
- the DC converter connection 18 of the DC/DC supply converter 16 can be connected to one of the capacitor voltages U C1 , U C2 or to several capacitor voltages U C1 , U C2 .
- the DC/DC supply converter 16 also has at least one middle connection, depending on the number of connected capacitor voltages U C1 , U C2 . It can therefore be operated in such a way that a more heavily charged intermediate circuit capacitor C ZK is discharged. Accordingly, energy that was taken from one intermediate circuit capacitor C ZK can essentially be fed directly to another intermediate circuit capacitor C ZK .
- the DC/DC supply converter 16 involved in the balancing of the intermediate circuit capacitors C ZK thus accelerates the duration of the balancing.
- Fig.3 shows a particularly advantageous embodiment of a DC/DC charging converter 20.
- the DC/DC charging converter 20 comprises a transformer 35 with a primary winding 36 on a transformer core 39, which is connected to the DC internal supply bus 15 via a clock switching element 37.
- the clock switching element 37 can be controlled by the control unit 10, for example, via a control line S6 in order to clock the supply voltage Uv of the DC internal supply bus 15 on the primary winding 36 with a predetermined clock frequency.
- a plurality of secondary windings 38a, 38b corresponding to the number of intermediate circuit capacitors C ZK are provided on the same transformer core 39, in Example of the Fig.3 two secondary windings 38a, 38b.
- the turns ratio between the primary winding 36 and the respective secondary winding 38a, 38b is preferably selected such that the DC charging voltage U L1 , U L2 induced on a secondary winding 38a, 38b during operation essentially corresponds (except for a forward voltage of the diode D1, D2) to the capacitor voltage U C1 , U C2 desired on the respectively assigned intermediate circuit capacitor C ZK .
- a diode D1, D2 is connected in series with each secondary winding 38a, 38b in such a way that the diode D1, D2 conducts when the capacitor voltage U C1 , U C2 is smaller than the respective DC charging voltages U L1 , U L2 .
- a diode D1, D2 blocks when a capacitor voltage U C1 , U C2 is equal to or greater than the respective DC charging voltages U L1 , U L2 and conducts when the capacitor voltage U C1 , U C2 is less than the respective DC charging voltages U L1 , U L2 by the breakdown voltage of the diode D1, D2.
- This circuit of the DC/DC charging converter 20 thus ensures automatic recharging until the capacitor voltages U C1 , U C2 of the intermediate circuit capacitors C ZK are balanced when the intermediate circuit capacitors C ZK are undercharged, as described above.
- the energy transmitted by the DC/DC charging converter 20 can also be controlled via the clocking of the clock switching element 37 or a suitable operating management strategy (for example, a set peak current) in the control unit 10 in order, for example, to influence how quickly an asymmetry at the intermediate circuit capacitors C ZK is compensated.
- a suitable operating management strategy for example, a set peak current
- one control unit 10 is shown in each case. However, it goes without saying that a distributed control with a plurality of individual control units 10 can also be provided in the power converter 1. In a distributed control, at least one control unit 10, preferably all control units 10, can be electrically supplied via the internal energy supply 11 as described above.
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Abstract
Für einen schaltungstechnisch einfachen Stromrichter, mit dem die Eigenenergieversorgung, die Symmetrierung des Zwischenkreises und das Vorladen des Zwischenkreises aus der AC-Seite möglich ist, ist im Stromrichter (1) ein DC/DC-Versorgungswandler (16) vorgesehen, wobei ein erster DC-Wandleranschluss (17) des DC/DC-Versorgungswandlers (16) mit dem DC-Eigenversorgungsbus (15) verbunden ist und ein zweiter DC-Wandleranschluss (18) des DC/DC-Versorgungswandlers (16) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (8) verbunden ist und im Betrieb des Stromrichters (1) am zweiten DC-Wandleranschluss (18) des DC/DC-Versorgungswandlers (16) die Zwischenkreisspannung (UZK) oder zumindest eine Kondensatorspannung (UC1, UC2) anliegt, und ist ferner im Stromrichter (1) ein DC/DC-Ladewandler (20) vorgesehen, wobei ein erster DC-Wandleranschluss (22) des DC/DC-Ladewandlers (20) mit dem DC-Eigenversorgungsbus (15) verbunden ist und ein zweiter DC-Wandleranschluss (21) des DC/DC-Ladewandlers (20) mit einer der Zahl der Zwischenkreiskondensatoren (CZK) entsprechenden Zahl an DC-Ladeanschlüssen (21a, 21b) ausgeführt ist, wobei jeder DC-Ladeanschluss (21a, 21b) mit je einem Zwischenkreiskondensator (CZK) verbunden ist. For a power converter with a simple circuit design, with which the self-power supply, the balancing of the intermediate circuit and the pre-charging of the intermediate circuit from the AC side are possible, a DC/DC supply converter (16) is provided in the power converter (1), wherein a first DC converter connection (17) of the DC/DC supply converter (16) is connected to the DC self-supply bus (15) and a second DC converter connection (18) of the DC/DC supply converter (16) is connected to the DC voltage intermediate circuit (8) and during operation of the power converter (1), the intermediate circuit voltage (U ZK ) or at least one capacitor voltage (U C1 , U C2 ) is applied to the second DC converter connection (18) of the DC/DC supply converter (16), and a DC/DC charging converter (20) is also provided in the power converter (1), wherein a first DC converter connection (22) of the DC/DC charging converter (20) is connected to the DC self-supply bus (15) and a second DC converter connection (21) of the DC/DC charging converter (20) is designed with a number of DC charging connections (21a, 21b) corresponding to the number of intermediate circuit capacitors (C ZK ), wherein each DC charging connection (21a, 21b) is connected to one intermediate circuit capacitor (C ZK ).
Description
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einem DC-Anschluss, an dem im Betrieb eine elektrische Gleichspannungsgröße anlegbar ist, und einem AC-Anschluss, an dem im Betrieb eine elektrische Wechselspannungsgröße anlegbar ist, wobei im Stromrichter ein DC/AC-Hauptwandler mit einem DC-Wandleranschluss und einem AC-Wandleranschluss vorgesehen ist und der AC-Wandleranschluss mit dem AC-Anschluss des Stromrichters verbunden ist und der DC-Wandleranschluss mit einem Gleichspannungszwischenkreis, an dem im Betrieb des Stromrichters eine Zwischenkreisspannung anliegt, verbunden ist, wobei der Gleichspannungszwischenkreis zumindest zwei in Serie geschalteten Zwischenkreiskondensatoren umfasst und an den Zwischenkreiskondensatoren im Betrieb des Stromrichters jeweils eine Kondensatorspannung anliegt, wobei der DC-Anschluss des Stromrichters mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, wobei im Stromrichter ein AC/DC-Versorgungswandler vorgesehen ist, der mit einem AC-Wandleranschluss des AC/DC-Versorgungswandlers mit dem AC-Anschluss des Stromrichters verbunden ist und mit einem DC-Wandleranschluss des AC/DC-Versorgungswandlers mit einem DC-Eigenversorgungsbus des Stromrichters verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Stromrichters.The present invention relates to a power converter with a DC connection to which an electrical direct voltage can be applied during operation and an AC connection to which an electrical alternating voltage can be applied during operation, wherein a DC/AC main converter with a DC converter connection and an AC converter connection is provided in the power converter and the AC converter connection is connected to the AC connection of the power converter and the DC converter connection is connected to a DC intermediate circuit to which an intermediate circuit voltage is applied during operation of the power converter, wherein the DC intermediate circuit comprises at least two intermediate circuit capacitors connected in series and a capacitor voltage is applied to each of the intermediate circuit capacitors during operation of the power converter, wherein the DC connection of the power converter is connected to the DC intermediate circuit, wherein an AC/DC supply converter is provided in the power converter, which is connected to an AC converter connection of the AC/DC supply converter with the AC connection of the power converter and to a DC converter connection of the AC/DC supply converter is connected to a DC self-supply bus of the power converter. The invention also relates to a method for operating such a power converter.
Stromrichter sind bekannte leistungselektronische Geräte, die als Wechselrichter (DC/AC-Wandler) zur Wandlung einer Gleichspannungsgröße (DC) (elektrischer Strom oder elektrische Spannung) in eine Wechselspannungsgröße (AC) (elektrischer Strom oder elektrische Spannung) arbeiten, oder umgekehrt als Gleichrichter (AC/DC-Wandler). Es sind auch bidirektionale Stromrichter bekannt, die einen Energiefluss in beide Richtungen ermöglichen. An einem Anschluss des Stromrichters liegt damit eine Gleichspannungsgröße an und am anderen Anschluss eine Wechselspannungsgröße.Power converters are well-known power electronic devices that work as inverters (DC/AC converters) to convert a direct current (DC) (electrical current or voltage) into an alternating current (AC) (electrical current or voltage), or vice versa as rectifiers (AC/DC converters). Bidirectional power converters are also known, which allow energy to flow in both directions. A direct current is therefore present at one connection of the power converter and an alternating voltage is present at the other connection.
Die Gleichspannungsgröße wird von einer Gleichspannungsquelle, wie einer Batterie, Photovoltaikanlage usw., bereitgestellt oder wird von einer Gleichspannungssenke, wie einer Batterie, einem Umrichter usw., aufgenommen. Die Wechselspannungsgröße wird von einer Wechselspannungssenke, wie einem AC-Netz usw., aufgenommen, oder von einer Wechselspannungsquelle, wie einem AC-Netz, einer Windkraftanlage usw., bereitgestellt.The DC voltage quantity is provided by a DC voltage source such as a battery, photovoltaic system, etc., or is absorbed by a DC voltage sink such as a battery, inverter, etc. The AC voltage quantity is absorbed by an AC voltage sink such as an AC grid, etc., or is provided by an AC voltage source such as an AC grid, wind turbine, etc.
Zwischen dem DC-Teil und dem AC-Teil des Stromrichters ist üblicherweise ein Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen, der aus einem oder mehreren, in Serie geschalteten Zwischenkreiskondensatoren besteht. Mit dem Gleichspannungszwischenkreis ist ein zumindest unidirektionaler DC/AC-Wandler verbunden, der die Zwischenkreisspannung in einer Wechselspannungsgröße des Stromrichters wandelt, oder eine Wechselspannungsgröße des Stromrichters in eine Zwischenkreisspannung wandelt.A DC intermediate circuit consisting of one or more intermediate circuit capacitors connected in series is usually provided between the DC part and the AC part of the converter. A DC/AC converter, which is at least unidirectional, is connected to the DC intermediate circuit, which converts the intermediate circuit voltage into an AC voltage of the converter, or converts an AC voltage of the converter into an intermediate circuit voltage.
Ein Stromrichter umfasst als leistungselektronisches Gerät zumindest einen Halbleiterschalter, wie einen Transistor, in der Regel eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern, die von einer Steuereinheit des Stromrichters zur Energiewandlung von DC auf AC, oder umgekehrt, angesteuert werden. Daraus ergeben sich gewisse Anforderungen für den Stromrichter.As a power electronic device, a power converter comprises at least one semiconductor switch, such as a transistor, usually a plurality of semiconductor switches, which are controlled by a control unit of the power converter to convert energy from DC to AC, or vice versa. This results in certain requirements for the power converter.
Die Steuereinheit ist üblicherweise ein mikroprozessorbasierter Bauteil oder ein integrierter Schaltkreis (wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA)), der eine elektrische Energieversorgung benötigt. Der Stromrichter benötigt demzufolge eine elektrische Eigenenergieversorgung beispielsweise für den Betrieb der Steuereinheit oder auch für die Kühlung des Stromrichters oder für weitere Peripherie. Der Stromrichter umfasst für die elektrische Energieversorgung ein Eigenenergieversorgungsnetzteil, das AC-seitig, beispielsweise aus einem AC-Netz (Wechselspannungsquelle oder Wechselspannungssenke) oder einem AC-Ausgang des Stromrichters, versorgt werden kann. Ein Beispiel für eine solche Energieversorgung des Stromrichters kann der
Oftmals ist der Gleichspannungszwischenkreis des Stromrichters als geteilter Zwischenkreis mit zumindest zwei Zwischenkreiskondensatoren in Serie ausgeführt. An jedem Zwischenkreiskondensator liegt eine DC-Spannung an, die in Summe die Zwischenkreisspannung ergeben. Bei zwei Zwischenkreiskondensatoren würde sich die Zwischenkreisspannung an den Zwischenkreiskondensatoren halbieren, sofern gleiche Zwischenkreiskondensatoren verwendet werden. Während des Betriebs des Stromrichters kann es aber bekannterweise aus verschiedenen Gründen zu unsymmetrischen DC-Spannungen an den Zwischenkreiskondensatoren kommen. Solche Unsymmetrien können zu einem nicht ordnungsgemäßen Betrieb des Stromrichters führen oder auch zu Beschädigungen von Teilen des Stromrichters. Im Betrieb des Stromrichters ist daher eine Symmetrierung der DC-Spannungen an den Zwischenkreiskondensatoren erforderlich. Hierfür sind verschiedene Ansätze bekannt. In einer einfachen Ausführung werden einfach Symmetrierwiderstände parallel zu den Zwischenkreiskondensatoren geschaltet. Über die Symmetrierwiderstände fließt aber im Betrieb permanent elektrischer Strom, was zu Verlusten und einem reduzierten Wirkungsgrad des Stromrichters führt. Es sind auch Ansätze bekannt, die die Aufteilung des Zwischenkreises auf mehrere Zwischenkreiskondensatoren zur Eigenenergieversorgung des Stromrichters nutzen. Hierfür sind aber mit den Zwischenkreiskondensatoren verbundene Schaltwandler erforderlich. Beispiele hierfür können der
Eine weitere Symmetrierschaltung kann der
Wenn der Stromrichter ausgeschalten ist, ist meist auch der Zwischenkreis entladen. Um den Stromrichter in Betrieb zu nehmen, muss daher zuerst der Zwischenkreis vorgeladen werden. Wenn hierfür DC-seitig keine DC-Spannung verfügbar ist, muss das Vorladen des Zwischenkreises AC-seitig erfolgen, beispielsweise aus einem AC-Netz. Ein Beispiel für eine AC-seitige Vorladung der Zwischenkreiskondensatoren ist der
Für diese Anforderungen, Eigenenergieversorgung, Symmetrierung und Vorladen des Zwischenkreises aus AC-Seite, sind aber unterschiedlichste Schaltungen erforderlich, die in einem Stromrichter möglichst verlustarm implementiert sein sollen. Das macht einen Stromrichter, abgesehen von den leistungselektronischen Teilen für die Energiewandlung, schaltungstechnisch aber auch aufwendig, weil eine Reihe von zusätzlichen Schaltungen notwendig ist.However, these requirements - self-power supply, balancing and pre-charging of the intermediate circuit from the AC side - require a wide variety of circuits that should be implemented in a power converter with as little loss as possible. This makes a power converter, apart from the power electronics parts for energy conversion, complex in terms of circuitry because a number of additional circuits are necessary.
Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung einen schaltungstechnisch einfachen Stromrichter anzugeben, mit dem die Eigenenergieversorgung, die Symmetrierung des Zwischenkreises und das Vorladen des Zwischenkreises aus der AC-Seite möglich ist.It is therefore an object of the present invention to provide a power converter with a simple circuit design, with which the self-power supply, the balancing of the intermediate circuit and the pre-charging of the intermediate circuit from the AC side are possible.
Diese Aufgabe wird mit einem eingangs genannten Stromrichter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst, sowie mit einem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben eines solchen Stromrichters nach Anspruch 5.This object is achieved with a power converter mentioned at the outset with the features of
Durch das Vorsehen eines zusätzlichen DC/DC-Ladewandlers, der vom DC-Bus gespeist wird, lassen sich in Kombination mit dem DC/DC-Versorgungswandler auf einfache Weise die verschiedenen Betriebsarten realisieren, sodass insbesondere die Symmetrierung des Zwischenkreises und das Vorladen des Zwischenkreises aus der AC-Seite einfach umgesetzt werden kann. Auch die Eigenenergieversorgung einer Steuereinheit kann bedarfsweise durch das Vorsehen der AC/DC- und DC/DC-Versorgungswandler sichergestellt werden.By providing an additional DC/DC charging converter that is fed from the DC bus, the various operating modes can be easily implemented in combination with the DC/DC supply converter, so that in particular the balancing of the intermediate circuit and the pre-charging of the intermediate circuit from the AC side can be easily implemented. The self-power supply of a control unit can also be ensured if required by providing the AC/DC and DC/DC supply converters.
Insbesondere das Symmetrieren erfolgt durch das Nachladen der Zwischenkreiskondensatoren über den DC/DC-Ladewandler aus dem DC-Eigenversorgungsbus und das gleichzeitige Entladen des Gleichspannungszwischenkreises über den DC/DC-Versorgungswandler in den DC-Eigenversorgungsbus selbsttätig und in einer energieeffizienten Art und Weise. Die aus den Zwischenkreiskondensatoren entnommene Energie wird zumindest teilweise wieder zum Nachladen der Zwischenkreiskondensatoren verwendet, bis die Symmetrie wieder hergestellt ist.In particular, balancing is carried out automatically and in an energy-efficient manner by recharging the intermediate circuit capacitors via the DC/DC charging converter from the DC self-supply bus and simultaneously discharging the DC voltage intermediate circuit via the DC/DC supply converter into the DC self-supply bus. The energy taken from the intermediate circuit capacitors is at least partially used to recharge the intermediate circuit capacitors until symmetry is restored.
Über den DC-Eigenversorgungsbus, an dem im Betrieb die DC-Versorgungsspannung anliegt, kann auch eine Eigenenergieversorgung bestimmter Komponenten des Stromrichters sichergestellt werden. Wenn im Stromrichter zumindest eine Steuereinheit mit einem Versorgungseingang vorgesehen ist, wobei der Versorgungseingang mit dem DC-Eigenversorgungsbus verbunden ist, dann kann auch die Eigenenergieversorgung der Steuereinheit sichergestellt werden.The DC self-supply bus, to which the DC supply voltage is applied during operation, can also ensure the self-supply of certain components of the converter. If at least one control unit with a supply input is provided in the converter, with the supply input being connected to the DC self-supply bus, then the self-supply of the control unit can also be ensured.
In einer vorteilhaften Ausführung ist zwischen dem DC-Anschluss und dem Gleichspannungszwischenkreis zumindest ein DC/DC-Hauptwandler mit einem ersten DC-Wandleranschluss des DC/DC-Hauptwandlers und einem zweiten DC-Wandleranschluss des DC/DC-Hauptwandlers vorgesehen, wobei der DC-Anschluss des Stromrichters über den zumindest einen DC/DC-Hauptwandler mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, indem der erste DC-Wandleranschluss des DC/DC-Hauptwandlers mit dem DC-Anschluss des Stromrichters verbunden ist und der zweite DC-Wandleranschluss des DC/DC-Hauptwandlers mit dem Gleichspannungszwi-schenkreis verbunden ist. Damit können unterschiedliche DC-Quellen oder DC-Senken angeschlossen werden, wobei im Falle mehrerer DC/DC-Hauptwandler auch mehrere DC-Quellen oder DC-Senken angeschlossen werden können.In an advantageous embodiment, at least one DC/DC main converter with a first DC converter connection of the DC/DC main converter and a second DC converter connection of the DC/DC main converter is provided between the DC connection and the DC voltage intermediate circuit, wherein the DC connection of the power converter is connected to the DC voltage intermediate circuit via the at least one DC/DC main converter in that the first DC converter connection of the DC/DC main converter is connected to the DC connection of the power converter and the second DC converter connection of the DC/DC main converter is connected to the DC voltage intermediate circuit. This allows different DC sources or DC sinks to be connected, wherein in the case of several DC/DC main converters, several DC sources or DC sinks can also be connected.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der DC/DC-Ladewandler einen Transformator mit einer Primärwicklung auf einem Transformatorkern, wobei die Primärwicklung über zumindest ein Takt-Schaltelement mit dem DC-Eigenversorgungsbus verbunden ist, dass auf der Sekundärseite des Transformators am Transformatorkern eine der Zahl der Zwischenkreiskondensatoren entsprechenden Mehrzahl an Sekundärwicklungen vorgesehen sind, wobei ein Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der jeweiligen Sekundärwicklung so gewählt ist, dass die im Betrieb des Stromrichters an einer Sekundärwicklung eine DC-Ladespannung induziert wird, die im Wesentlichen der am jeweils zugeordneten Zwischenkreiskondensator gewünschten Kondensatorspannung entspricht, und dass in Serie zu jeder Sekundärwicklung eine Diode geschaltet ist, sodass im Betrieb des Stromrichters die Diode leitet, wenn die Kondensatorspannung kleiner der jeweiligen DC-Ladespannung ist. Mit dieser Schaltung ist auf der Sekundärseite des Transformators keine aktive Regelung erforderlich, da die Dioden den Energiefluss eigenständig regulieren.In an advantageous embodiment, the DC/DC charging converter comprises a transformer with a primary winding on a transformer core, wherein the primary winding is connected to the DC self-supply bus via at least one clock switching element, that on the secondary side of the transformer on the transformer core a plurality of secondary windings corresponding to the number of intermediate circuit capacitors are provided, wherein a turns ratio between the primary winding and the respective Secondary winding is selected so that when the converter is operating, a DC charging voltage is induced on a secondary winding that essentially corresponds to the capacitor voltage required on the associated intermediate circuit capacitor, and that a diode is connected in series with each secondary winding so that when the converter is operating, the diode conducts if the capacitor voltage is lower than the respective DC charging voltage. With this circuit, no active control is required on the secondary side of the transformer, since the diodes regulate the energy flow independently.
Mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter lassen sich auf einfache Weise verschiedene Betriebsmodi realisieren.With the power converter according to the invention, different operating modes can be realized in a simple manner.
Der mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundene DC/DC-Versorgungswandler kann ausgeschaltet werden, um die Zwischenkreiskondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises über den AC/DC-Versorgungswandler, den DC-Eigenversorgungsbus und den DC/DC-Ladewandler bei fehlender Gleichspannungsgröße am DC-Anschluss vorzuladen.The DC/DC supply converter connected to the DC link can be switched off to precharge the DC link capacitors via the AC/DC supply converter, the DC self-supply bus and the DC/DC charging converter in the absence of DC voltage at the DC connection.
Zum Symmetrieren des Gleichspannungszwischenkreises über den DC/DC-Versorgungswandler, den DC-Eigenversorgungsbus und den DC/DC-Ladewandler bei anliegender Gleichspannungsgröße am DC-Anschluss kann der DC/DC-Versorgungswandler eingeschaltet werden, sodass die Zwischenkreisspannung oder zumindest eine Kondensatorspannung eines Zwischenkreiskondensators des Gleichspannungszwischenkreises über den DC/DC-Versorgungswandler in die DC-Versorgungsspannung gewandelt wird und in den DC-Eigenversorgungsbus eingespeist wird. Damit wird der Gleichspannungszwischenkreis über den DC/DC-Versorgungswandler in den DC-Eigenversorgungsbus entladen und über den DC/DC-Ladewandler aus dem DC-Eigenversorgungsbus nachgeladen, um die Symmetrie der Kondensatorspannungen herzustellen. Dieses Symmetrieren kann auch beim Vorladen angewendet werden.To symmetrize the DC intermediate circuit via the DC/DC supply converter, the DC self-supply bus and the DC/DC charging converter when a DC voltage is present at the DC connection, the DC/DC supply converter can be switched on so that the intermediate circuit voltage or at least a capacitor voltage of an intermediate circuit capacitor of the DC intermediate circuit is converted into the DC supply voltage via the DC/DC supply converter and fed into the DC self-supply bus. The DC intermediate circuit is thus discharged into the DC self-supply bus via the DC/DC supply converter and recharged from the DC self-supply bus via the DC/DC charging converter in order to establish the symmetry of the capacitor voltages. This symmetrization can also be used for pre-charging.
Um eine spannungsmäßige Überlastung der Zwischenkreiskondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises zu verhindern, kann sowohl beim Vorladen als auch beim Symmetrieren vorgesehen sein, dass die Kondensatorspannungen erfasst werden und eine Ausgangsleistung des DC/DC-Ladewandlers reduziert wird, wenn eine der Kondensatorspannungen größer einer vorgegebenen Nenn-Spannung wird. Damit wird der Ladestrom für die Zwischenkreiskondensatoren reduziert und eine Überspannung an den Zwischenkreiskondensatoren verhindert.In order to prevent the intermediate circuit capacitors of the DC link from being overloaded in terms of voltage, both during pre-charging and during balancing, the capacitor voltages can be recorded and the output power of the DC/DC charging converter reduced if one of the capacitor voltages is greater than a specified nominal voltage. This reduces the charging current for the intermediate circuit capacitors and prevents an overvoltage on the intermediate circuit capacitors.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
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Fig.1 einen erfindungsgemäßen Stromrichter, -
Fig.2 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stromrichters und -
Fig.3 eine vorteilhafte Ausführung eines DC/DC-Ladewandlers des Stromrichters.
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Fig.1 a power converter according to the invention, -
Fig.2 a further embodiment of a power converter according to the invention and -
Fig.3 an advantageous design of a DC/DC charging converter of the power converter.
AC-seitig vor dem AC-Anschluss 3 kann im Stromrichter 1 auch eine Trenneinheit 4, wie ein Trennrelais, vorgesehen sein, um den AC-Anschluss 3 des Stromrichters 1, oder eine daran im Betrieb angeschlossene Wechselspannungsquelle oder Wechselspannungsquelle, elektrisch von den anderen Teilen des Stromrichters 1 zu trennen. Eine solche Ausführung ist in
Ebenso können im Stromrichter 1 AC-seitig, vorzugsweise vor einer Trenneinheit 4, noch weitere Schaltungskomponenten vorgesehen sein, wie beispielsweise ein bekanntes elektrisches Ausgangsfilter, das in der Regel aus einer Verschaltung von Kondensatoren und Drosseln besteht. Nachdem solche Schaltungskomponenten für die Erfindung aber unerheblich sind und darüber hinaus hinlänglich bekannt sind, werden diese in den Figuren nicht dargestellt.Likewise, further circuit components can be provided in the
Im Stromrichter 1 ist AC-seitig ein DC/AC-Hauptwandler 5 vorgesehen. Der DC/AC-Hauptwandler 5 dient der Energieübertragung des Stromrichters 1 und wandelt im Betrieb des Stromrichters 1 eine Gleichspannungsgröße in eine Wechselspannungsgröße, die an einem AC-Wandleranschluss 6 des DC/AC-Hauptwandlers 5 anliegt, oder auch umgekehrt im Falle eines bidirektionalen ersten DC/AC-Hauptwandler 5 (in umgekehrten Fall arbeitet der DC/AC-Hauptwandler 5 als AC/DC-Wandler). Der AC-Wandleranschluss 6 des DC/AC-Hauptwandlers 5 ist mit dem AC-Anschluss 3 des Stromrichters 1 verbunden, gegebenenfalls über eine Trenneinheit 4 und/oder weitere Schaltungskomponenten des Stromrichters 1.A DC/AC
Die AC-Energieübertragungsseite des Stromrichters 1 wird damit vom AC-Teil des DC/AC-Hauptwandlers 5 und vom AC-Anschluss 3, und gegebenenfalls der Trenneinheit 4 und/oder weitere Schaltungskomponenten zwischen Trenneinheit 4 und DC/AC-Hauptwandler 5, gebildet.The AC energy transmission side of the
Der DC-Wandleranschluss 7 des DC/AC-Hauptwandlers 5 ist mit einem Gleichspannungszwischenkreis 8 verbunden. Der Gleichspannungszwischenkreis 8 besteht aus zumindest zwei Zwischenkreiskondensatoren CZK, die vorzugsweise gleiche Kapazitätswerte haben. Die zumindest zwei Zwischenkreiskondensatoren CZK sind seriell miteinander verschaltet. Am Gleichspannungszwischenkreis 8 liegt im Betrieb des Stromrichters 1 eine Zwischenkreisspannung UZK an, die sich aufgrund der seriellen Verschaltung der Zwischenkreiskondensatoren CZK auf Kondensatorspannungen UC1, UC2, die jeweils an einem Zwischenkreiskondensator CZK anliegt, aufteilt. Der DC/AC-Hauptwandler 5 erhält damit die Zwischenkreisspannung UZK als Gleichspannungsgröße zur Wandlung in die Wechselspannungsgröße am AC-Wandleranschluss 6.The DC converter connection 7 of the DC/AC
In einer möglichen Ausführung des Stromrichters 1, wie in der Ausführung nach
Die DC-Energieübertragungsseite des Stromrichters 1 wird damit vom Gleichspannungszwischenkreis 8 und dem DC-Teil des DC/AC-Hauptwandlers 5, oder vom DC/DC-Hauptwandler 9, dem Gleichspannungszwischenkreis 8 und dem DC-Teil des DC/AC-Hauptwandlers 5, ausgebildet.The DC energy transmission side of the
Im Betrieb erfolgt die Energieübertragung des Stromrichters 1 damit vom DC-Anschluss 2 über die DC-Energieübertragungsseite und die AC-Energieübertragungsseite zum AC-Anschluss 3, oder auch umgekehrt im Falle eines bidirektionalen Wandlers.During operation, the energy transfer of the
Für den Betrieb des Stromrichters 1 ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die die einzelnen Teile des Stromrichters 1 über Steuerleitungen S1, S3 ansteuert, insbesondere den DC/AC-Hauptwandler 5 über eine Steuerleitung S1 und gegebenenfalls auch den zumindest einen DC/DC-Hauptwandler 9 über eine Steuerleitung S3. Falls vorhanden, kann die Steuereinheit 10 auch die Trenneinheit 4 über eine Steuerleitung S2 ansteuern. Die Art der über die Steuerleitungen S1, S2, S3 gesendeten Steuersignale ist für die Erfindung unerheblich. Die Steuereinheit 10 steuert im Betrieb im DC/AC-Hauptwandler 5, und gegebenenfalls auch im DC/DC-Hauptwandler 9, in bekannter Weise insbesondere Schaltelemente, wie Halbleiterschalter, wie Transistoren, an.For the operation of the
Die Steuereinheit 10 ist vorzugsweise als ein mikroprozessorbasierter Bauteil oder als integrierter Schaltkreis, wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA), ausgeführt, die für den Betrieb eine elektrische Energieversorgung benötigt.The
Für den Betrieb benötigt der Stromrichter 1 daher eine Eigenenergieversorgung 11, die insbesondere die elektrische Energie für den Betrieb der Steuereinheit 10, und gegebenenfalls auch für weitere Grundversorgungsbestandteile oder Peripherie, bereitstellt. Die Eigenenergieversorgung 11 des Stromrichters 1 umfasst einen AC/DC-Versorgungswandler 12, dessen AC-Wandleranschluss 13 mit dem AC-Anschluss 3 des Stromrichters 1 verbunden ist. Das stellt auch im Falle einer Trenneinheit 4 sicher, dass auch bei geöffneter Trenneinheit 4 eine Spannungsversorgung über die an den Stromrichter 1 angeschlossene Wechselspannungsquelle oder Wechselspannungssenke möglich ist. Der DC-Wandleranschluss 14 des AC/DC-Versorgungswandlers 12 ist mit einem DC-Eigenversorgungsbus 15 des Stromrichters 1 verbunden. Die Eigenenergieversorgung 11 des Stromrichters 1 umfasst auch einen DC/DC-Versorgungswandler 16, dessen erster DC-Wandleranschluss 17 mit dem DC-Eigenversorgungsbus 15 verbunden ist und dessen zweiter DC-Wandleranschluss 18 am Gleichspannungszwischenkreis 8 anliegt, sodass im Betrieb des Stromrichters 1 in dieser Ausgestaltung nach
Damit kann der DC-Eigenversorgungsbus 15 sowohl vom AC/DC-Versorgungswandler 12 über die AC-Seite des Stromrichters 1 mit einer DC-Versorgungsspannung Uv gespeist werden, als auch über den DC/DC-Versorgungswandler 16 und den Gleichspannungszwischenkreis 8. Die Energieversorgung der Steuereinheit 10 kann damit im Betrieb des Stromrichters 1 sowohl von der AC-Seite, als auch von der DC-Seite des Stromrichters 1 erfolgen. Der AC/DC-Versorgungswandler 12 und/oder der DC/DC-Versorgungswandler 16 kann dazu auch über jeweils eine Steuerleitung S4, S5 von der Steuereinheit 10 angesteuert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der AC/DC-Versorgungswandler 12 immer aktiv ist und daher keine Steuerleitung S5 erforderlich ist (wie in
Im Betrieb des Stromrichters 1 erfolgt die Bereitstellung der DC-Versorgungsspannung Uv beispielsweise über den AC/DC-Versorgungswandler 12 und dem AC-Anschluss 3 des Stromrichters 1. Bedarfsweise kann der DC-Eigenversorgungsbus 15 zusätzlich oder auch alternativ über den DC/DC-Versorgungswandler 16 mit der DC-Versorgungsspannung Uv gespeist werden. Der DC/DC-Versorgungswandler 16 hat aber erfindungsgemäß, neben der optionalen Spannungsversorgung des DC-Eigenversorgungsbus 15, noch eine andere Aufgabe, wie nachfolgend erläutert.When the
Im Stromrichter 1 ist auch ein DC/DC-Ladewandler 20 vorgesehen. Ein erster DC-Wandleranschluss 22 des DC/DC-Ladewandlers 20 ist mit dem DC-Eigenversorgungsbus 15 verbunden, sodass im Betrieb an diesem ersten DC-Wandleranschluss 22 die DC-Versorgungsspannung Uv anliegt. Am zweiten DC-Wandleranschluss 21 des DC/DC-Ladewandlers 20 werden gemäß der Zahl an Zwischenkreiskondensatoren CZK eine Mehrzahl an DC-Ladespannungen UL1, UL2 an DC-Ladeanschlüssen 21a, 21b des DC-Wandleranschlusses 21 des DC/DC-Ladewandlers 20 bereitgestellt. In der Ausführung nach
Obwohl selbstverständlich sei angemerkt, dass am DC-Eigenversorgungsbus 15 als DC-Versorgungsspannung Uv eine DC-Kleinspannung, beispielsweise im Bereich von 10-50V, vorzugsweise 20V oder 24V, anliegt, während die Zwischenkreisspannung UZK in der Regel im Bereich von einigen Hundert Volt bis Tausend Volt liegt. Der DC-Eigenversorgungsbus 15 dient insbesondere nicht der Energieübertragung des Stromrichters 1.Although it should be noted that a low DC voltage, for example in the range of 10-50V, preferably 20V or 24V, is applied to the DC
Diese Schaltung mit AC/DC-Versorgungswandler 12, DC/DC-Versorgungswandler 16 und DC/DC-Ladewandler 20 ermöglicht die Eigenenergieversorgung des Stromrichters 1 (wie bereits oben ausgeführt), aber auch die Symmetrierung des Gleichspannungszwischenkreises 8 und auch das Vorladen des Gleichspannungszwischenkreis 8 aus der AC-Seite auf eine einfache und energieeffiziente Art und Weise, wie nachfolgend erläutert wird.This circuit with AC/
Das Vorladen des Gleichspannungszwischenkreises 8 aus der AC-Seite des Stromrichters 1 ist beispielsweise notwendig, wenn am DC-Anschluss 2 des Stromrichters 1 keine Gleichspannungsgröße DCG verfügbar ist (beispielsweise nachts im Falle einer PV-Anlage am DC-Anschluss 2) und der Gleichspannungszwischenkreis 8 damit nicht über den DC-Anschluss 2 oder den DC/DC-Hauptwandler 9 gespeist werden kann. In diesem Fall speist der AC/DC-Versorgungswandler 12 den DC-Eigenversorgungsbus 15 über den AC-Anschluss 3, an dem eine Wechselspannungsgröße ACG anliegt, beispielsweise aus einem AC-Netz. Zum Vorladen des Gleichspannungszwischenkreises 8 wird die DC-Versorgungsspannung Uv des DC-Eigenversorgungsbusses 15 vom DC/DC-Ladewandler 20 in die DC-Ladespannungen UL1, UL2 gewandelt, die an die Zwischenkreiskondensatoren CZK angelegt werden, womit die Zwischenkreiskondensatoren CZK auf die DC-Ladespannungen UL1, UL2 geladen werden. Während des Vorladens des Gleichspannungszwischenkreises 8 über den DC/DC-Ladewandler 20 ist der DC/DC-Versorgungswandler 16, der ebenfalls am Gleichspannungszwischenkreis 8 und am DC-Eigenversorgungsbus 15 hängt, ausgeschaltet, um zu verhindern, dass der DC/DC-Versorgungswandler 16 gleichzeitig Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 8 entnimmt und den Gleichspannungszwischenkreis 8 dabei wieder entlädt, was einem Vorladen entgegenstehen würde.Precharging the DC
Die Vorladefunktion des Stromrichters 1 ermöglicht in gewissen Konfigurationen aber noch eine weiteren Betriebsart des Stromrichters 1. Wird beispielsweise am DC-Anschluss 2 eine PV-Anlage angeschlossen, so kann nachts von der PV-Anlage keine Gleichspannungsgröße DCG bereitgestellt werden. Damit ist der Gleichspannungszwischenkreis 8 entladen. Der Stromrichter 1 hängt aber auch nachts über den AC-Anschluss 3 an einem AC-Netz. Über den AC/DC-Versorgungswandler 12 und den DC/DC-Ladewandler 20 kann aber der Gleichspannungszwischenkreis 8 vorgeladen werden und der Stromrichter 1 damit grundsätzlich in Betrieb genommen werden. Wenn der Stromrichter 1 in Betrieb ist, dann könnte beispielsweise mit dem Stromrichter 1 Blindleistung erzeugt werden, die in das AC-Netz abgegeben wird. Die Fähigkeit eines Stromrichters 1 für PV-Anwendungen zur Abgabe von Blindleistung ist in vielen Ländern eine Anforderung der Netzbetreiber. Die Energie für die Erzeugung der Blindleistung könnte dabei vom DC/AC-Hauptwandler 5 aus dem AC-Netz entnommen werden, beispielsweise als Wirkleistung, und über den DC/AC-Hauptwandler 5 in den Gleichspannungszwischenkreis 8, konkret in die Zwischenkreiskondensatoren CZK, geladen werden.However, in certain configurations, the pre-charging function of the
Mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter 1 könnte damit eine Blindleistungseinspeisung in ein AC-Netz über den AC/DC-Versorgungswandler 12, den DC-Eigenversorgungsbus 15 und den DC/DC-Ladewandler 20 sogar dann durchgeführt werden, wenn am DC-Anschluss 2 keine Gleichspannungsgröße anliegt.With the
Kommt es zu einer Unsymmetrie der Kondensatorspannungen UC1, UC2 an den Zwischenkreiskondensatoren CZK, beispielsweise aufgrund nicht exakt gleicher Bauteilwerte der Zwischenkreiskondensatoren CZK kann eine solche Unsymmetrie erfindungsgemäß wie folgt ausgeglichen werden.If an asymmetry of the capacitor voltages U C1 , U C2 at the intermediate circuit capacitors C ZK occurs, for example due to component values of the intermediate circuit capacitors C ZK not being exactly the same, such an asymmetry can be compensated according to the invention as follows.
Ist einer der Zwischenkreiskondensatoren CZK zu gering geladen (beispielsweise eine Kondensatorspannung UC1, UC2 bei Nenn-Spannung und eine andere darunter), beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Kapazitätswerten der Zwischenkreiskondensatoren CZK, so sorgt die vom DC/DC-Ladewandler 20 bereitgestellte DC-Ladespannung UL1, UL2 dafür, dass der zu gering geladene Zwischenkreiskondensator CZK mit Kondensatorspannung UC1, UC2 kleiner der zugeordneten DC-Ladespannung UL1, UL2 nachgeladen wird. Die vom DC/DC-Ladewandler 20 bereitgestellte elektrische Abgabeleistung fließt damit in den Gleichspannungszwischenkreis 8 und sorgt für die Nachladung des zu gering geladenen Zwischenkreiskondensators CZK. Gleichzeitig erfolgt aber auch eine Entladung des Gleichspannungszwischenkreises 8 über den DC/DC-Versorgungswandler 16, wobei alle Zwischenkreiskondensatoren CZK gemeinsam entladen werden, da dessen zweiter DC-Wandleranschluss 18 am Gleichspannungszwischenkreis 8 anliegt. Der DC/DC-Versorgungswandler 16 ist damit gleichzeitig mit dem DC/DC-Ladewandler 20 aktiv. Die entladene elektrische Energie geht dabei nicht verloren, sondern wird dem DC/DC-Ladewandler 20 über den DC-Eigenversorgungsbus 15 wiederum zum Nachladen zur Verfügung gestellt. Die elektrische Energie wird also im Kreis geführt. Es kann also entsprechend auch der Fall sein, dass Energie, die einem Zwischenkreiskondensatoren CZK entnommen wurde, diesem wieder zugeführt wird. Dadurch wird (im Idealfall) erreicht, dass beide Zwischenkreiskondensatoren CZK auf die Nenn-Spannung (z.B. 500V) geladen werden. Mit anderen Worten kann man dieses Nachladen und gleichzeitige Entladen auch als Symmetrieren der Zwischenkreiskondensatoren CZK bezeichnen.If one of the intermediate circuit capacitors C ZK is not charged enough (for example one capacitor voltage U C1 , U C2 at nominal voltage and another below it), for example due to different capacitance values of the intermediate circuit capacitors C ZK , the DC charging voltage U L1 , U L2 provided by the DC/
Würde ausschließlich eine Nachladung der Zwischenkreiskondensator CZK erfolgen, würde der zu gering geladene Zwischenkreiskondensator CZK auf das gleiche Niveau geladen wie der weitere Zwischenkreiskondensator CZK, welches allerdings über der Nenn-Spannung liegen kann und dementsprechend nicht gewollt ist. Würde ausschließlich eine Entladung erfolgen, würden beide Zwischenkreiskondensatoren CZK um dasselbe Niveau reduziert und die Unsymmetrie bliebe bestehen. Durch das gleichzeitige Nachladen und Entladen kann aber die Symmetrierung der Kondensatorspannung UC1, UC2 erreicht werden.If only the intermediate circuit capacitor C ZK were to be recharged, the undercharged intermediate circuit capacitor C ZK would be charged to the same level as the other intermediate circuit capacitor C ZK , which may, however, be above the nominal voltage and is therefore not desired. If only a discharge If this were to happen, both intermediate circuit capacitors C ZK would be reduced by the same level and the asymmetry would remain. However, by simultaneously recharging and discharging, the capacitor voltage U C1 , U C2 can be balanced.
Im Betrieb des Stromrichters 1 kann die Steuereinheit 10 das Nachladen und Entladen, also die Symmetrierung, koordinieren. Als Basis hierfür können Messwerte der Kondensatorspannungen UC1, UC2, die der DC/AC-Hauptwandler 5 liefern kann, dienen. Über die Steuerleitungen S4, S6 zum DC/DC-Ladewandler 20 und DC/DC-Versorgungswandler 16 kann der DC/DC-Versorgungswandler 16 und der DC/DC-Ladewandler 20 von der Steuereinheit 10 gesteuert werden.When the
Ein weiteres Beispiel einer Symmetrierung ist, wenn die Kondensatorspannung UC1, UC2 unterschiedlich, aber beide kleiner der Nenn-Spannung sind, also beispielsweise aufgrund von Bauteiltoleranzen die Spannungen unterschiedlich aufgeteilt werden. Die Symmetrierung erfolgt auch in diesem Fall wie oben ausgeführt über den DC/DC-Versorgungswandler 16, den DC-Eigenversorgungsbus 15 und den DC/DC-Ladewandler 20. Der DC/DC-Versorgungswandler 16 hängt eingangseitig über den DC-Wandleranschluss 18 am Gleichspannungszwischenkreis 8, also an der Zwischenkreisspannung UZK. Der DC/DC-Versorgungswandler 16, der den DC-Eigenversorgungsbus 15 speist, entnimmt dem Gleichspannungszwischenkreis 8 elektrische Leistung, womit der DC/DC-Versorgungswandler 16 die Zwischenkreiskondensatoren CZK entlädt und die Kondensatorspannungen UC1, UC2 an allen Zwischenkreiskondensatoren CZK senkt. Nachdem diese entnommene elektrische Leistung in die Eigenversorgung des Stromrichters 1 fließt, ist das sehr energieeffizient. Sinkt eine der Kondensatorspannungen UC1, UC2 dabei unter die zugeordnete DC-Ladespannung UL1, UL2 des DC/DC-Ladewandler 20 ab, so sorgt der DC/DC-Ladewandler 20 wieder für die Symmetrierung durch Nachladen wie oben beschrieben. Die elektrische Energie des überladenen Zwischenkreiskondensators CZK wird damit während der Symmetrierung über den DC/DC-Versorgungswandler 16, den DC-Eigenversorgungsbus 15 und den DC/DC-Ladewandler 20 im Kreis geführt und dem nun zu gering geladenen Zwischenkreiskondensatoren CZK zugeführt.Another example of symmetrization is when the capacitor voltage U C1 , U C2 are different, but both are smaller than the nominal voltage, i.e., the voltages are divided differently due to component tolerances, for example. In this case, too, symmetrization is carried out as described above via the DC/
Da der DC/DC-Versorgungswandler 16 zusätzlich für die Eigenenergieversorgung zuständig ist, ist dieser gegenüber dem Ladewandler 20 im Regelfall leistungsmäßig stärker dimensioniert, also mit einer größeren Nenn-Ausgangsleistung ausgeführt. Beispielsweise könnte der DC/DC-Ladewandler 20 mit einer Leistung von 20W ausgelegt sein und der DC/DC-Versorgungswandler 16 mit einer Leistung von 50W.Since the DC/
Es ist offensichtlich, dass die Spannungsniveaus der verschiedenen Spannungen der diversen Wandler, insbesondere des DC/DC-Versorgungswandlers 16 und des DC/DC-Ladewandlers 20, aufeinander und auf die Nenn-Zwischenkreisspannung UZK bzw. den Nenn-Kondensatorspannungen UC1, UC2 abzustimmen sind. Die Nenn-Spannungen sind die Spannungen, die sich im ordnungsgemäßen Betrieb des Stromrichters 1 einstellen sollten. Eine solche spannungsmäßige Dimensionierung der Wandler kann vom Fachmann ohne weiteres selbst vorgenommen werden.It is obvious that the voltage levels of the various voltages of the various converters, in particular the DC/
Sinnvoll ist es beispielsweise, wenn die erzielbaren DC-Ladespannungen UL1, UL2 des DC/DC-Ladewandlers 20 jeweils mindestens den an den Zwischenkreiskondensatoren CZK erwünschten Nenn-Kondensatorspannungen UC1, UC2 entsprechen, wobei die Summe der DC-Ladespannungen UL1, UL2 vorteilhaft der Nenn-Zwischenkreisspannung UZK entspricht.It is useful, for example, if the achievable DC charging voltages U L1 , U L2 of the DC/
Um die Symmetrierung auf einfach Weise sicherzustellen, könnte vorgesehen sein, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Versorgungswandlers 16, die als DC-Versorgungsspannung Uv in den DC-Eigenversorgungsbus 15 eingespeist wird, größer ist, als die Ausgangspannung des AC/DC-Versorgungswandlers 12, die ebenfalls in den DC-Eigenversorgungsbus 15 eingespeist wird. Beispielsweise könnte der DC/DC-Versorgungswandler 16 eine Ausgangsspannung von 24V bereitstellen und der AC/DC-Versorgungswandler 12 eine Ausgangsspannung von 20V. Damit wird der DC-Eigenversorgungsbus 15 im Betrieb des Stromrichters 1 vorrangig vom DC/DC-Versorgungswandler 16 gespeist und die oben beschriebene Symmetrierung ist sichergestellt. Natürlich könnte auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 10 den DC/DC-Versorgungswandler 16 und den AC/DC-Versorgungswandler 12 ansteuert, um die Symmetrierung zu ermöglichen.In order to ensure symmetrization in a simple manner, it could be provided that the output voltage of the DC/
Eine spannungsmäßige Überlastung (mehr als die Nenn-Spannung eines Zwischenkreiskondensators CZK) jedes einzelnen Zwischenkreiskondensators CZK ist üblicherweise zu verhindern. Auch das kann im Falle unterschiedlich geladener Zwischenkreiskondensatoren CZK als Unsymmetrie gesehen werden und durch die Symmetrierung über den DC/DC-Versorgungswandler 16, den DC-Eigenversorgungsbus 15 und den DC/DC-Ladewandler 20 verhindert werden, weil der DC/DC-Versorgungswandler 16 die Kondensatorspannung UC1, UC2 an jedem Zwischenkreiskondensator CZK senkt und über den DC-Eigenversorgungsbus 15 und den DC/DC-Ladewandler 20 zum Ausgleich der Unsymmetrie nutzt. Ebenso kann dabei vorgesehen sein, dass die Kondensatorspannungen UC1, UC2 von der Steuereinheit 10 erfasst werden. Wird von mindestem einem der Zwischenkreiskondensatoren CZK dessen vorgegebene Nenn-Kondensatorspannung erreicht, kann vorgesehen sein, die elektrische Ausgangsleistung des DC/DC-Ladewandlers 20 zu reduzieren, beispielsweise durch die Steuereinheit 10, sodass eine spannungsmäßige Überlastung der Zwischenkreiskondensatoren CZK durch den DC/DC-Ladewandler 20 vermieden wirdA voltage overload (more than the nominal voltage of an intermediate circuit capacitor C ZK ) of each individual intermediate circuit capacitor C ZK should usually be prevented. This can also be seen as asymmetry in the case of differently charged intermediate circuit capacitors C ZK and can be prevented by balancing via the DC/
Um eine spannungsmäßige Überlastung der Zwischenkreiskondensators CZK bei symmetrischen Kondensatorspannung UC1, UC2 zu verhindern, kann gleichfalls vorgesehen sein, dass die Kondensatorspannungen UC1, UC2 von der Steuereinheit 10 erfasst werden. Wird von mindestem einem der Zwischenkreiskondensatoren CZK dessen Nenn-Kondensatorspannung erreicht, kann vorgesehen sein, die elektrische Ausgangsleistung des DC/DC-Ladewandlers 20 zu reduzieren, beispielsweise durch die Steuereinheit 10, sodass eine spannungsmäßige Überlastung der Zwischenkreiskondensatoren CZK vermieden wird.In order to prevent a voltage overload of the intermediate circuit capacitor C ZK at symmetrical capacitor voltage U C1 , U C2 , it can also be provided that the capacitor voltages U C1 , U C2 are detected by the
Auch beim Vorladen des Gleichspannungszwischenkreis 8 kann es zu einer Unsymmetrie der Kondensatorspannungen UC1, UC2 kommen, wie oben ausgeführt. Damit kann auch beim Vorladen über den DC/DC-Ladewandler 20 eine Symmetrierung über den DC/DC-Versorgungswandler 16, den DC-Eigenversorgungsbus 15 und den DC/DC-Ladewandler 20 wie oben ausgeführt erfolgen. Damit kann auch beim Vorladen zum Symmetrieren der DC/DC-Versorgungswandler 16 aktiviert werden. Dieser Betriebsfall stellt damit eine Symmetrierung wie oben beschrieben dar. Beim Vorladen kann die vom DC/DC-Versorgungswandler 16 aufgenommene Leistung auch begrenzt werden, beispielsweise durch die Steuereinheit 10, um das Vorladen nicht zu behindern, aber trotzdem bedarfsweise die Kondensatorspannungen UC1, UC2 zu senken.An asymmetry of the capacitor voltages U C1 , U C2 can also occur when precharging the DC voltage
Ebenso kann beim Vorladen vorgesehen sein, dass die Kondensatorspannungen UC1, UC2 von der Steuereinheit 10 erfasst werden. Wird von mindestem einem der Zwischenkreiskondensatoren CZK dessen Nenn-Spannung erreicht, kann vorgesehen sein, die elektrische Ausgangsleistung des DC/DC-Ladewandlers 20 zu reduzieren, beispielsweise durch die Steuereinheit 10, sodass eine spannungsmäßige Überlastung der Zwischenkreiskondensatoren CZK vermieden wird. Das kann mit oder auch ohne Einschalten des DC/DC-Versorgungswandlers 16 erfolgen.Likewise, during pre-charging, it can be provided that the capacitor voltages U C1 , U C2 are detected by the
Beim Vorladen, beispielsweise zur Vorbereitung einer Blindleistungseinspeisung, ist der AC/DC-Versorgungswandler 12 aktiv, weil damit der DC-Eigenversorgungsbus 15 gespeist wird. All das kann über die Steuereinheit 10 gesteuert sein, beispielsweise über die entsprechenden Steuerleitungen.During pre-charging, for example in preparation for reactive power feed-in, the AC/
In den mit Bezugnahme auf die
Es wäre aber grundsätzlich auch denkbar, dass der DC-Wandleranschluss 18 des DC/DC-Versorgungswandler 16 mit einer der Kondensatorspannungen UC1, UC2 oder mit mehreren Kondensatorspannungen UC1, UC2 verbunden ist. Der DC/DC-Versorgungswandler 16 hat in diesem Fall auch zumindest einen Mittelanschluss, je nach Anzahl der verbundenen Kondensatorspannung UC1, UC2. Er kann daher so betrieben werden, dass ein stärker geladener Zwischenkreiskondensatoren CZK entladen wird. Es kann also entsprechend Energie, die einem Zwischenkreiskondensatoren CZK entnommen wurde, einem anderen Zwischenkreiskondensatoren CZK im Wesentlichen direkt zugeführt werden. Damit beschleunigt der an der Symmetrierung der Zwischenkreiskondensatoren CZK beteiligte DC/DC-Versorgungswandler 16 die Dauer der Symmetrierung.However, it would also be conceivable in principle for the
Für die Erfindung ist es unerheblich, wie die einzelnen Wandler des Stromrichters 1 ausgeführt sind. Grundsätzlich sind alle möglichen und bekannten Schaltungstopologien für den DC/AC-Hauptwandler 5, den DC/DC-Hauptwandler(n) 9 (sofern vorhanden), den AC/DC-Versorgungswandler 12, den DC/DC-Versorgungswandler 16 und den DC/DC-Ladewandler 20 denkbar und einsetzbar.For the invention, it is irrelevant how the individual converters of the
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils eine Steuereinheit 10 dargestellt. Es ist aber selbstverständlich, dass im Stromrichter 1 auch eine verteilte Steuerung mit einer Mehrzahl von einzelnen Steuereinheiten 10 vorgesehen sein kann. In einer verteilten Steuerung kann zumindest eine Steuereinheit 10, vorzugsweise alle Steuereinheiten 10, über die Eigenenergieversorgung 11 wie oben beschreiben elektrisch versorgt sein.In the illustrated embodiments, one
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WO2024256459A1 (en) | 2024-12-19 |
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